1. Verbindungselemente aus Stahl
1.1 Werkstoff fuer Verbindungselemente
Der eingesetzte Werkstoff ist von entscheidender Bedeutung fuer
die Qualitaet der Verbindungselemente (Schrauben, Muttern und Zubehoerteile).
Treten Fehler im eingesetzten Werkstoff auf, so kann das daraus
gefertigte Verbindungselement die an ihn gestellten Anforderungen
nicht mehr erfuellen.
Die wichtigsten Normen fuer Schrauben und Muttern sind:
-DIN EN ISO 898-1, Mechanische Verbindungselemente Teil 1: Schrauben
-DIN EN 20898 Teil 2 (ISO 898 Teil 2), Mechanische Verbindungselemente
Teil 2: Muttern
Diese Normen legen den einzusetzenden Werkstoff, die Kennzeichnung,
die Eigenschaften der fertigen Teile sowie auch deren Pruefungen
und Pruefmethoden fest. Fuer die verschiedenen Festigkeitsklassen
werden unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt, die in nachfolgender
Tabelle 1 aufgefuehrt sind.
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1.2 Mechanische Eigenschaften
von Stahlschrauben
Dieses Kapitel gibt einen kurzen Ueberblick, mit welchen Methoden
mechanische Eigenschaften von Schrauben festgelegt und bestimmt
werden. In diesem Zusammenhang wird auf die gebraeuchlichsten
Kennwerte und Nenngroeβen eingegangen.
1.2.1 Zugversuch
Mit Hilfe des Zugversuchs werden wichtige Kennwerte fuer Schrauben
wie Zugfestigkeit Rm, Streckgrenze Re, 0,2 %-Dehngrenze
Rp0,2, und Bruchdehnung A5 (%) bestimmt.
Dabei wird unterschieden in "Zugversuch mit abgedrehten Proben
und Zugversuch an ganzen Schrauben"(DIN EN ISO 898 Teil 1).
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Zugversuch an ganzer Schraube Abb. B
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Bei rost- und saeurebestaendigen Schrauben mit der
Stahlgruppe A1–A5 ist der Zugversuch nach DIN ISO 3506 an ganzen
Schrauben durchzuführen.
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1.2.2 Zugfestigkeit Rm (N/mm2)
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Die Zugfestigkeit Rm gibt an, ab welcher Zugspannung
es zu einem Bruch der Schraube kommen darf. Sie ergibt sich aus
der Hoechstkraft und dem entsprechenden Querschnitt. Der Bruch darf
nur im Schaft oder im Gewinde eintreten und nicht im übergang zwischen
Kopf und Schaft.
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Zugfestigkeit bei Bruch im zylindrischen (abgedrehte
oder ganze Schrauben):
Rm = maximale Zugkraft/Querschnittsfl?che F/So [N/mm2]
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Zugfestigkeit bei Bruch im Gewinde:
Rm = maximale Zugkraft/Spannungsquerschnitt
F/A [N/mm2]
As Spannungsquerschnitt
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1.2.3 Streckengrenze Re
(N/mm2)
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Nach DIN EN ISO 898 Teil 1 kann die genaue Streckgrenze
nur an abgedrehten Proben ermittelt werden (Ausnahme: rost- und
saeurebestaendige Schrauben, Stahlgruppe A1–A5). Die Streckgrenze
gibt an, ab welcher Spannung trotz zunehmender Verlaengerung die
Zugkraft erstmalig gleichbleibt oder geringer wird. Sie stellt den
übergang zwischen dem elastischen in den plastischen Bereich dar.
Der qualitative Verlauf einer 4.6 Schraube (weicher Stahl) im Spannungs-Dehnungs-
Diagramm ist in Abbildung C dargestellt.
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1.2.4 0,2%-Dehnungsgrenze
Rp0,2 (N/mm2)
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Dieser Kennwert wird für Schrauben mit einem stetigen
übergang vom elastischen in den plastischen Bereich benutzt (Schrauben
mit hoher Festigkeit wie z. B. 10.9), da die Streckgrenze nur schwer
bestimmt werden kann. Die 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2 stellt diejenige
Spannung dar, bei der eine bleibende Dehnung von 0,2% erreicht wird.
Der qualitative Spannungsverlauf im Spannungs- Dehnungs-Diagramm
für eine 10.9 Schraube ist in Abbildung D dargestellt.
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Spannungs-Dehnung-Diagramm einer Schraube mit der
Güte 10.9 (qualitativ)
Abb. D
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1.2.5 Festigkkeitsklassen
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Schrauben werden mit Festigkeitsklassen gekennzeichnet,
so da? es sehr einfach moeglich ist die Zugfestigkeit Rm und die
Streckgrenze Re (bzw. die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2) zu ermitteln.
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Beispiel:
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Schraube 8.8
1. Bestimmung von Rm:
Die erste Zahl mit 100 multiplizieren.
- Rm = 8 x 100 = 800 N/mm2
2. Bestimmung von Re bzw. Rp0,2:
Die erste Zahl mit der zweiten Zahl multipliziert und das Ergebnis
mit 10 multipliziert ergibt die Streckgrenze Re bzw. 0,2%-Dehngrenze
Rp0,2. - Re = (8 x 8) x 10 = 640 N/mm2
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1.2.6 Bruchdehnung A5 (%)
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Die Bruchdehnung ist ein wichtiger Kennwert für
die Beurteilung der Verformbarkeit eines Werkstoffes und entsteht
bei der Belastung bis zum Schraubenbruch. Diese wird an abgedrehten
Schrauben mit definiertem Schaftbereich bestimmt (Ausnahme: rost-
und saeurebestaendige Schrauben, Stahlgruppe A1–A5). Die bleibende
plastische Dehnung wird in Prozent angegeben und nach folgender
Formel berechnet:
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A5 = (Lu – Lo) / Lo x 100
Lo definierte Laenge vor dem Zugversuch lo = 5 x do
Lu Laenge nach dem Bruch
do Schaftdurchmesser vor dem Zugversuch
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Bespiel eines Proportionalstabes
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Abb. E
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1.2.7 Haerte und Haerteprüfverfahren
Definition:
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Das ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen
eines anderen Stoffes entgegensetzt.
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Die wichtigsten Haerteprüfverfahren in der Praxis
sind:
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| Pruefverfahren |
Haerte Vickers HV
ISO 6507 |
Haerte Brinell HB
ISO 6506 |
Haerte Rockwell HRC
ISO 6508 |
| Pruefkoerper |
Pyramide |
Kugel |
Kegel |
Das Pruefverfahren nach Haerte Vickers umfaβt für Schrauben den
gesamten üblichen Haertebereich.
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Vergleich von Haurteangaben
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Die folgende Grafik F gilt fuer Staehle und entspricht
den Haertevergleichstabellen in DIN 50150. Diese sollen als Anhaltspunkt
dienen, denn ein exakter Vergleich von Ergebnissen ist nur mit dem
gleichen Verfahren und unter den gleichen Bedingungen moeglich.
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Abb. F: Vergleich von Haerteangaben
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1.3 Festigkeitsklasse von
Schrauben
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Mit Hilfe der Festigkeitsklassen werden die Eigenschaften
von Schrauben und Muttern beschrieben. Dies erfolgt in untenstehender
Tabelle 3 anhand von 10 Festigkeitsklassen, bei denen jeweils die
Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Haerte, Streckgrenze, Bruchdehnung
usw. aufgeführt sind.
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1.3.1 Prüfkraefte
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Die Prüfkraft nach den Tabellen 4 und 5 wird im
Zugversuch axial auf die Schraube aufgebracht und 15 s gehalten.
Der Versuch gilt als bestanden, wenn die Schraubenlaenge nach Messung
mit der Laenge vor dem Versuch übereinstimmt. Hierbei gilt eine
Toleranz von ± 12,5 μm. Für den Anwender stellen die folgenden Tabellen
ein wichtiges Hilfsmittel bei der Auswahl von geeigneten Schrauben
dar.
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Metrisches ISO-Regelgewinde
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Metrische ISO-Feingewinde
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1.3.2 Eigenschaften von
Schrauben bei erhoehten Temperaturen
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Die angegebenen Werte gelten nur als Anhalt für
die Minderung der Streckgrenzen bei Schrauben, die unter erhoehten
Temperaturen geprüft werden. Sie sind nicht für die Annahmeprüfung
von Schrauben bestimmt.
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1.4 Festigkeitsklassen für Muttern
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Bei Muttern wird in der Praxis die Prüfspannung
und die daraus errechnete Prüfkraft als Kennzahl (04 bis 12) angegeben,
da auf die Angabe der Streckgrenze verzichtet werden kann. Bis zu
den jeweils aufgefuehrten Prüfkraeften in Tabelle 7 ist eine bedenkenlose
Beanspruchung einer Schraube auf Zug moeglich. Die Festigkeitsklasse
einer Mutter wird durch die auf einen gehoerteten Prüfdorn bezogene
Prüfspannung beschrieben und durch 100 dividiert.
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Beispiel:
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M6, Prüfspannung 600 N/mm2
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600/100 = 6 --> Festigkeitsklasse 6
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Die Prüfkraft FP wird mit Hilfe der Prüfspannung
Sp (DIN EN 20898 Teil 2) und dem Nennspannungsquerschnitt As wie
folgt berechnet: Fp = As x Sp
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Prüfkraefte für Metrisches ISO-Regelgewinde (Muttern)
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Der Nenn-Spannungsquerschnitt wird wie folgt
berechnet:
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Hierin bedeuten:
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d2 Flankendurchmesser des Auβengewindes (Nennmaβ)
d3 Kerndurchmesser des Fertigungsprofils des Auβengewindes (Nennmaβ)
d3 = d1 – H/6
mit
d1 Kerndurchmesser des Grundprofils des Auβengewindes
H Hoehe des Profildreiecks des Gewindes
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1.5 Paarung von Schrauben
und Muttern
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Regel:
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Bei einer Schraube mit der Festigkeitsklasse 8.8
ist auch die Mutter mit einer Festigkeitsklasse von 8 zu waehlen.
Um die Gefahr des Abstreifens von Gewinden beim Anziehen mit modernen
Verfahren der Montagetechnik zu vermeiden, müssen Schrauben und
Muttern von derselben Festigkeitsklasse sein. Darüber hinaus ist
eine solche Schraubenverbindung voll belastbar.
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Anmerkung:
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Im allgemeinen koennen Muttern der hoeheren Festigkeitsklasse
anstelle von Muttern der niedrigeren Festigkeitsklasse verwendet
werden. Dies ist ratsam für eine Schrauben-Mutter-Verbindung mit
Belastungen oberhalb der Streckgrenze oder oberhalb der Prüfspannung
(Dehnschrauben).
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1.6 Anzugsdrehmoment und Vorspannkraft
von metrischen Schrauben
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Wahl des richtigen Reibwertes
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Zur genauen Bestimmung der Vorspannkraft und des
Anziehdrehmoments ist die Kenntnis des Reibungskoeffizienten Voraussetzung.
Es scheint allerdings fast unmoeglich zu sein, fuer die Vielzahl
der Oberflaechen- und Schmierzustaende gesicherte Werte fuer die
Reibungskoeffizienten und vor allem deren Streuungen anzugeben.
Hinzu kommen noch die Streuungen der verschiedenen Anziehmethoden,
die ebenfalls einen mehr oder weniger groβen Unsicherheitsfaktor
darstellen. Aus diesem Grunde koennen lediglich Empfehlungen für
die Wahl des Reibungskoeffizienten gegeben werden. Fuer Senkkopfschrauben
gelten 80% der Werte im Anziehdrehmoment, aufgrund der Restbodendicke.
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Bsp.: M 12, 10.9 = 125 Nm x 0,8 = 100 Nm.
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1.6.1 Anzugsdrehmoment und
Vorspannkraft von
- Sicherungsschrauben und Muttern
- Flanschschrauben und Muttern
(nach Herstellerangaben)
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Bei einer neunzigprozentigen Ausnutzung der Dehngrenze
Rp0,2
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1.6.2 Anziehmomente für
Linsenschrauben mit Innensechskant (aehnlich ISO 7380) und angepresstem
Flansch (schwarz, Festigkeitsklasse 10.9)
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| Anziehdrehmoment
MA [Nm] |
| M3 |
M4 |
M5 |
M6 |
M8 |
M10 |
M12 |
| 1 |
3 |
6 |
11 |
27 |
52 |
100 |
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1.7 Kennzeichnung von Schrauben
und Muttern
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Sechskantschrauben:
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Die Kennzeichnung von Sechskantschrauben mit Herstellerzeichen
und Festigkeitsklassen ist vorgeschrieben fur alle Festigkeitsklassen
und einem Gewinde-Nenndurchmesser von d 5 mm.
Die Kennzeichnung der Schraube ist dort anzubringen, wo es die Form
der Schraube zulaβt.
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Abb. G: Beispiel für die Kennzeichnung von Sechskantschrauben
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Zylinderschrauben mit Innensechskant:
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Die Kennzeichnung von Zylinderschrauben mit Innensechskant
mit Herstellerzeichen und Festigkeitsklassen ist vorgeschrieben
für Festigkeitsklassen = 8.8 und einem Gewindedurchmesser von d
= 5 mm.
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Abb. G Beispiel für die Kennzeichnung von Zylinderschrauben
mit Innensechskant
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Kennzeichnung von Muttern nach DIN EN 20898 Teil2
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| Festigkeitsklasse |
04 |
05 |
4 |
5 |
6 |
8 |
9 |
10 |
12 |
| Kennzeichnung |
04 |
05 |
4 |
5 |
6 |
8 |
9 |
10 |
12 |
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Die Kennzeichnung von Sechskantmuttern mit Herstellerzeichen
und Festigkeitsklassen ist vorgeschrieben fur alle Festigkeitsklassen
und mit einem Gewinde von ≥ M5. Die Sechskantmuttern mussen auf
der Auflageflache oder einer Schlusselflache vertieft oder auf der
Fase erhoht gekennzeichnet werden. Erhohte Kennzeichen durfen nicht
uber die Auflageflache der Mutter hinausragen. Alternativ zur Kennzeichnung
durch die Kennzahl der Festigkeitsklasse kann eine Kennzeichnung
auch mit Hilfe des Uhrzeigersystems erfolgen (weitere Informationen
siehe DIN EN 20898 Teil 2).
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Abb. H: Beispiel für die Kennzeichnung mit der
Kennzahl der Festigkeitsklasse
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1.8 Zollgewinde Umrechnungstabelle
Zoll / mm
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| Zoll |
1/4'' |
5/16'' |
3/8'' |
7/16'' |
1/2'' |
5/8'' |
3/4'' |
7/8'' |
1'' |
1 1/4'' |
| mm |
6,3 |
7,9 |
9,5 |
11,1 |
12,7 |
15,9 |
19,1 |
22,2 |
25,4 |
31,8 |
|
| Zoll |
1 1/2'' |
1 3/4'' |
2'' |
2 1/4'' |
2 1/2'' |
2 3/4'' |
3'' |
3 1/2'' |
4'' |
| mm |
38,1 |
44,5 |
50,8 |
57,1 |
63,5 |
69,9 |
76,2 |
88,9 |
102,0 |
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Anzahl der Gewindegaenge auf 1''UNC/UNF
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| O-Zoll |
1/4'' |
5/16'' |
3/8'' |
7/16'' |
1/2'' |
5/8'' |
3/4'' |
| Gewindegaenge UNC |
20 |
18 |
16 |
14 |
13 |
11 |
10 |
| Gewindegaenge UNF |
28 |
24 |
24 |
20 |
20 |
18 |
16 |
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